w zamkniętym cyklu technologicznym

KRUSZYWA
analizy
dr inż. Zdzisław Naziemiec – Instytut Mineralnych Materiałów Budowlanych o/Kraków
dr inż. Tomasz Gawenda – Akademia Górniczo-Hutnicza
Kruszenie
w zamkniętym cyklu technologicznym
Jakość otrzymywanych produktów z procesów przeróbczych zależy głównie od prawidłowego doboru
maszyn i urządzeń współpracujących, zależnie od rodzaju przerabianego surowca. Zakładając konkretny
proces technologiczny zwykle bierzemy pod uwagę charakterystyki pracy poszczególnych maszyn, które zależne są między innymi od właściwości fizyko-mechanicznych nadawy oraz wielkości parametrów
konstrukcyjnych i sterowalnych maszyn. Okazuje się jednak, że na uzyskiwanie dobrych produktów
wpływ ma także sposób prowadzenia procesu technologicznego (ilość stadiów rozdrabniania, cykle
technologiczne, sterowanie strumieniami przepływu materiału do wybranych maszyn itp.).
Układy cyklów kruszenia
W procesach kruszenia i mielenia przy produkcji kruszyw
łamanych i mączek stosuje się często tzw. zamknięte cykle
technologiczne. Mówimy wówczas o procesie rozdrabniania
w obiegu zamkniętym. Istnieją również układy technologiczne
z otwartym obiegiem materiału. Na rysunku 1 przestawiono
najprostsze cykle technologiczne rozdrabniania z klasyfikacją
ziarnową.
Zgodnie z literaturą [1,2] ideę takich układów można wyjaśnić na przykładzie przepływu konkretnej ilości materiału.
Załóżmy, że chcemy uzyskać produkt o uziarnieniu 0-16 mm.
Jeżeli z kruszarki szczękowej przy szczelinie wylotowej 12 mm
otrzymamy uziarnienie 0-31,5 mm, jak na rys. 3 (wytłuszczona
krzywa 1), wówczas frakcja powyżej 16 mm stanowi 33% a frakcja poniżej 16 mm 67%. W cyklu otwartym (jak na rys. 1a) ilość
40
doprowadzonej nadawy równa się przepustowości kruszarki.
W cyklu zamkniętym (rys. 1b), teoretycznie 33% początkowej
nadawy, a praktycznie ok. 40% wróci ponownie do kruszarki (skuteczność przesiewania w warunkach laboratoryjnych wyniesie
100%, a praktycznie w warunkach przemysłowych będzie o kilka
do kilkunastu procent mniejsza). Tak więc w drugim cyklu ilość
doprowadzonej nadawy z zewnątrz powinna wynieść tylko 60%
przepustowości, bo pozostałe 40% wraca do kruszarki z przesiewacza (nadal biorąc pod uwagę warunki przemysłowe).
Z kolei w trzecim cyklu kruszenia, do kruszarki z zewnątrz
będziemy musieli dostarczyć jeszcze mniejszą ilość nadawy w
zależności od tego, czy uziarnienie produktu grubego z zawrotu
KRUSZYWA
analizy
a)
b)
(1)
c)
Rys. 1. Cykle technologiczne:
a) otwarty, b, c) zamknięty
po drugim cyklu kruszenia będzie miało wpływ na uziarnienie
otrzymywanych produktów w kolejnych cyklach rozdrabniania,
czy też nie. Po pewnym czasie proces ostatecznie ustala się w
ten sposób, że ilość zawracanego materiału na kruszarkę jest
stała.
Należy pamiętać, iż ilość zawracanego materiału zależy w
głównej mierze od relacji wielkości szczeliny wylotowej i oczka
na sicie przesiewacza.
W celu właściwego doboru urządzenia rozdrabniającego o
odpowiedniej wydajności konieczne jest ustalenie ilości materiału krążącego w obiegu zamkniętym – inaczej mówiąc: ustalenie
krotności obiegu, co jest bardzo kłopotliwe, gdyż wymaga
długotrwałych badań w warunkach przemysłowych.
Ilość zawracanego materiału wpływa na obciążenie przesiewacza i kruszarki, czy – w instalacjach przemiałowych – na
obciążenie młyna i separatora, a także urządzeń transportowych.
Układ przedstawiony na rysunku 1c charakteryzuje się najmniejszym obciążeniem kruszarki.
Krotność obiegu definiuje się jako iloraz ilości materiału
zawracanego do ilości świeżej nadawy. Krotność obiegu osiąga
wysokie wartości w procesach przemiału. W praktyce, dla mielenia w młynach cementu czy wapienia, krotność obiegu wynosi
2-2,6; dla kruszenia materiałów w kruszarkach jest zdecydowanie
niższa.
W procesach rozdrabniania krotność obiegu można
ustalić z następujących wzorów, przyjmując oznaczenia jak
na rysunku 2.
gdzie:
N – nadawa pierwotna, [Mg/godz],
G – zwrot po klasyfikacji, [Mg/godz],
F – nadawa do klasyfikacji, [Mg/godz],
D – produkt gotowy, [%],
A – zawartość klasy drobnej w nadawie do klasyfikacji, [%],
B – zawartość klasy drobnej w zwrocie, [%],
C – zawartość klasy drobnej w produkcie, [%].
Znając wydajność np. młyna oraz udziały wybranych frakcji A, B,
C w materiałach F, D i G można obliczyć ilość zawrotu i wielkość
nadawy na przesiewacz czy do separatora.
Krotność obiegu k materiału, zgodnie z definicją, można określić
wzorem:
(2)
a także, znając zawartości frakcji:
(3)
Na podstawie powyższych wzorów łatwo ocenić krotność
obiegu dla pracującej instalacji. Powstaje jednak pewne utrudnienie jeśli chodzi o dokonanie obliczeń np. dla projektowanego
węzła. W takiej sytuacji zawsze posłużyć się możemy charakterystykami ziarnowymi produktów (krzywymi składu ziarnowego)
dla danego urządzenia rozdrabniającego. W zależności od tego
jak dokładnymi krzywymi składu ziarnowego dysponujemy,
możemy uzyskać mniej lub bardziej dokładne wyniki obliczeń.
Chodzi o to, że skład ziarnowy produktu z kruszarki będzie się
zmieniał zależnie od składu ziarnowego nadawy, chociaż zwykle
przyjmuje się, że skład ziarnowy nadawy nie wpływa na skład
ziarnowy produktu.
W produkcji kruszyw stosowana była niekiedy następująca procedura ustalania ilości materiału krążącego w obiegu
zamkniętym: partię kruszywa przewidzianą do rozdrabniania
należało podzielić na co najmniej 6 próbek o jednakowej masie. Pierwszą próbkę rozdrabniano przy ustalonej szczelinie
wylotowej i odsiewano materiał gruby. Następnie materiał ów
mieszano z drugą próbką i całość rozdrabniano w tych samych
warunkach. Powyższe czynności powtarzano sześciokrotnie.
Nadawa otrzymana po ostatnim cyklu rozdrabniania była tą
ilością kruszywa, która miała krążyć w cyklu zamkniętym.
Badania i wyniki przeprowadzonych eksperymentów
Rys. 2. Schemat obiegu
materiału w młynie
i separatorze
Dla powyższego rysunku spełnione są następujące zależności:
N=D
F=G+D i G=F–D
CD = AF – BG = AF – B(F-D)
3/2007
Surowce i Maszyny Budowlane
W celu prześledzenia omawianych zależności przeprowadzono następujący eksperyment. Do kruszarki szczękowej
L44.41 o złożonym ruchu szczęki podawano do rozdrabniania
chalcedonit o granulacji 70–100 mm, wg schematu na rysunku 1b. Kruszarka pracowała przy szczelinie wylotowej e = 12
mm. Przygotowano 6 jednakowych porcji chalcedonitu, które
podawano do kruszarki. Po procesie kruszenia jednej porcji
materiał był przesiewany w celu wykonania analiz składu
ziarnowego produktów, po czym zawracano do obiegu materiał
>16 mm (pierwsza seria) i >12,5 mm (druga seria), dodając go
do przygotowanej wcześniej następnej porcji jednostkowej.
Wyniki z pierwszej serii przedstawiono w tabeli 1, a krzywe
składu ziarnowego charakteryzujące poszczególne operacje
kruszenia – na rysunkach 3 i 4.
41
KRUSZYWA
analizy
Tab. 1. Zestawienie wskaźników charakteryzujących wielkość
zawrotu w kolejnych cyklach kruszenia
W tabeli 1 zestawiono wskaźniki opisujące wielkość zawrotu
dla sześciu cyklów kruszenia z zawrotem materiału grubego.
Ilość zawracanego materiału ustalono poprzez ważenie zawracanych klas ziarnowych w poszczególnych cyklach kruszenia.
Procentowy przyrost zawracanej masy stanowił stosunek masy
zawracanego produktu górnego do masy świeżej nadawy. Wyniki zmiany tego wskaźnika przedstawiono na rys. 5. Krotność
obiegu k została wyliczona ze wzoru (3) (wynikającego z bilansu
frakcji drobnych), w oparciu o krzywe składu ziarnowego dla
materiału uzyskanego po poszczególnych cyklach kruszenia.
Rys. 3. Krzywe składu ziarnowego chalcedonitu uzyskane po
kolejnych cyklach kruszenia z zawrotem w kruszarce L44.41,
e = 12 mm, N = 70-100 mm
Na rysunku 3 widać, że krzywa składu ziarnowego 1, uzyskana z pierwszego cyklu kruszenia (bez zawrotu materiału), różni
się od pozostałych krzywych składów ziarnowych produktów.
Krzywe 2-6 układają się względem siebie podobnie. W pierwszym cyklu kruszenia w komorze kruszarki był tylko materiał
gruby (70-100 mm). W następnych cyklach znajdował się tam
materiał gruby i materiał drobny o granulacji > 16 mm. Tym
samym komora kruszenia była dokładniej wypełniona i zmieniły
się warunki kruszenia. W efekcie krzywe składu ziarnowego
różnią się między sobą głównie zawartością klas średnich.
Rys. 4. Składy ziarnowe produktów uzyskanych w kruszarce
szczękowej przy szczelinie e = 12 mm;
1 – po pierwszym cyklu kruszenia, 2 – po szóstym cyklu kruszenia przy zawrocie
>12,5 mm,
3 – po szóstym cyklu kruszenia przy zawrocie materiału >16 mm
42
Rys. 5. Wzrost ilości zawracanego materiału w kolejnych cyklach
kruszenia
Na rysunku 5 można zauważyć, że proces
ustabilizował się mniej więcej po czwartm cyklu kruszenia. Po
pierwszym cyklu ilość zawracanego materiału wynosiła 33%, a
po szóstym zawrót wynosił 62% (skuteczność przesiewania wynosiła 100%). Z rysunku widać, że wielkość zawrotu szybciej się
ustaliła przy zawracaniu materiału powyżej 16 mm, a więc przy
mniejszej ilości zawracanego materiału. Zestawienie wielkości
krotności obiegu (k), jakie uzyskano dla różnych warunków
procesu kruszenia, przedstawiono w tabeli 2.
W tabeli 2 pod pozycją 1 podano wartość krotności obiegu k
obliczonej z wzoru (3), w oparciu o krzywą składu ziarnowego
dla materiału uzyskanego po pierwszym cyklu kruszenia (bez
zawrotu). Pod pozycją 2 umieszczono wartość k obliczoną z tego
samego wzoru, lecz w oparciu o krzywą składu ziarnowego materiału po szóstym cyklu kruszenia w obiegu zamkniętym (kruszenie z zawrotem). Pod pozycją 3 podano rzeczywistą wielkość
k ustaloną w oparciu o pomiary masy zawracanego materiału
dla ziarna podziałowego dT=12,5 mm i dT=16 mm. Zarówno w
pierwszym jak i drugim przypadku uzyskano różne wartości
wskaźnika k. Najmniejszą dokładność osiągnięto dla wartości k
podanej w pozycji 1. Stosując krzywą składu ziarnowego dokładniej charakteryzującą produkty kruszenia, w pozycji 2 uzyskano
wyniki bardziej zbliżone do uzyskanych w przeprowadzonym
eksperymencie. Widać stąd, że na dokładność prowadzonych
obliczeń w istotny sposób wpływa posiadana przez nas charakterystyka badanych urządzeń (w tym przypadku skład ziarnowy
produktów, który ulega zmianom w zależności od warunków
prowadzenia procesu).
Jeżeli np. do kruszarki podawane jest 10 t/h nadawy pierwotnej (a tym samym uzyskuje się 10 t/h produktu gotowego), to
przy krotności obiegu 1,38, przez kruszarkę przechodzi: 10 t/h
+ 1,38 x 10 t/h = 23,8 t/h materiału podlegającego kruszeniu.
O tym, jak ważna jest znajomość składu ziarnowego i ilość zawracanego materiału, może świadczyć następujący przykład.
W instalacji przemiałowej z prasą walcową i separatorem
dynamicznym uzyskiwano mączkę drobnoziarnistą 0-0,2 mm
i grubziarnistą 0,2-1 mm (według nowego nazewnictwa stosowanego w normach PN-EN dotyczących kruszyw było to
kruszywo wypełniające i kruszywo drobne). Z instalacji, w której
przemielany był kamień o granulacji 5-25 mm, uzyskiwano po
separatorze 28 Mg/godz. frakcji 0-0,2 mm i ok. 3 Mg/godz.
frakcji 0,2-1mm. W poszukiwaniu sposobu zwiększenia ilości produkowanej frakcji 0,2-1 mm okazało się, że zawrót z separatora
zawiera w swym składzie ponad 30% frakcji 0,2-1 mm. Frakcja ta,
zawracana do prasy walcowej, ulegała dalszemu rozdrobnieniu i
trafiała do produktu najdrobniejszego. W instalacji zabudowano
przesiewacze do klasyfikacji materiałów drobnoziarnistych i
3/2007
Surowce i Maszyny Budowlane
KRUSZYWA
analizy
Tab. 2. Krotność obiegu materiału w kruszarce szczękowej dla procesu kruszenia przy szczelinie wylotowej e = 12 mm i przesiewie na
sicie o oczkach 16 mm i 12,5 mm
skierowano na nie zawrót z separatora. Pozwoliło to na odzysk
frakcji 0,2-1 mm zawartej w zawrocie, zwiększając tym samym
około trzykrotnie uzysk tej frakcji w instalacji przemiałowej.
Skład ziarnowy nadawy, produktów i zawrotu z separatora
przedstawiono w tabeli 3.
ren nieforemnych w produktach. Okazuje się, że korzystniejsze
jest rozdrabnianie materiału z zamkniętym obiegiem. Ponieważ
przy zawrocie wypełnienie komory kruszenia jest większe, ziarna
płaskie, słabsze fizycznie ulegają łatwiejszemu rozkruszeniu, co
wpływa na poprawę ich kształtu.
Na rys. 6 przedstawiono zawartość ziaren nieforemnych w
produkcie po pierwszym cyklu kruszenia w obiegu otwartym
i po szóstym cyklu kruszenia w obiegu zamkniętym.
Zawartość ziaren płaskich w produkcie po szóstym cyklu
kruszenia była, w zależności od klasy ziarnowej, niższa o 4-15%
niż dla produktu kruszonego w cyklu otwartym. Zawartość ziaren
nieforemnych określono za pomocą sit szczelinowych, czyli jako
tzw. wskaźnik płaskości.
Podsumowanie
Tab. 3. Skład ziarnowy produktów z instalacji przemiałowej z prasą
walcową
Wykorzystując uzyskane produkty w różnych etapach kruszenia, zgodnie ze schematami na rys. 1a i 1b, postanowiono
dodatkowo określić wpływ zawrotu materiału na zawartość zia-
Prawidłowo zaprojektowane układy rozdrabniania z obiegiem zamkniętym pozwalają kontrolować przepływ materiału
oraz podnosić jakość produktu. W układach mielenia z zamkniętym obiegiem przepływ materiału jest znacznie krótszy niż wymagałoby tego zmielenie materiału do żądanego uziarnienia w
obiegu otwartym, ponieważ produkt grubszy po klasyfikacji jest
zawracany ponownie do mielenia. W efekcie osiąga się korzyści
takie jak: nieprzemielanie materiału drobnego, likwidowanie
nadziarna, obniżenie zużycia energii, zwiększenie wydajności
procesu i poprawę jakości produktów.
Z prostych wzorów można określić procent zawracanego materiału na podstawie składu ziarnowego uzyskiwanego produktu.
Dokładność charakterystyk ziarnowych produktów otrzymywanych w różnych warunkach kruszenia wpływa w istotny sposób
na końcowy wynik prowadzonych obliczeń.
Literatura
Rys. 6. Porównanie zawartości ziaren nieforemnych dla kruszenia
w cyklu zamkniętym i otwartym
[1] Grzelak E.: Technologia kruszyw mineralnych. Arkady, Warszawa 1973
[2] Kurdowski W.: Poradnik technologa przemysłu cementowego.
Arkady, Warszawa 1981
XIII Autostrada
Tegoroczna trzynasta edycja Międzynarodowych Targów Budownictwa Drogowego AUTOSTRADA-POLSKA była rekordowa pod
względem liczby wystawców i zajmowanej powierzchni. W targach uczestniczyło 753 wystawców z 23 krajów.
Podczas targów AUTOSTRADA-POLSKA swoją ofertę przedstawiły największe firmy związane z budownictwem drogowym, inżynierią
ruchu oraz bezpieczeństwem drogowym. Prezentowane były ciężkie maszyny i sprzęt budowlany, materiały i surowce do budowy
dróg, urządzenia i farby do znakowania oraz elementy infrastruktury związanej z eksploatacją dróg i autostrad. Nie zabrakło również
firm – wykonawców robót mostowych.
Atrakcją imprezy były pokazy dynamiczne ciężkich maszyn do budowy dróg, odbywające się na specjalnym terenie pokazowym.
Podczas targów akredytowało się 132 dziennikarzy z kraju i zagranicy. Wystawę zwiedziło 15 000 osób.
Następna edycja Autostrady – 14-16 V 2008.
3/2007
Surowce i Maszyny Budowlane
43